Összefoglalás
A legegyszerűbb kémiai szerkezettel rendelkező molekulára, a hidrogénre (H2), ma már világszerte úgy tekintenek, mint olyan energiahordozóra, amely az emberiség fenntartható fejlődése érdekében képes lesz kiváltani a fosszilis energiahordozókat. Ha a hidrogént megújuló forrásokból állítjuk elő tömeges léptékben, használata megszabadíthat bennünket a globális felmelegedés okozta környezeti katasztrófáktól, és megszüntetheti sok háborús konfliktus kiváltó okát. A biztonságos, megújuló, a növekvő gazdasági igényeket megnyugtatóan kielégítő mennyiségben rendelkezésre álló és tiszta energiahordozó kézzelfogható realitássá válik belátható éveken, évtizedeken belül.
A hidrogén az elektromos áramhoz hasonlóan energiahordozó, egyiket sem lehet a megszokott módszerekkel bányászni. H2-t vízből vagy szerves anyagokból nyerhetünk külső, primer energiaforrás felhasználásával. Manapság a legtöbb hidrogént fosszilis energiahordozókból állítják elő, elsősorban földgázból, ami az energetikai, környezeti és politikai problémákat alapvetően nem oldja meg. Hidrogént azonban már ma is lehet megújuló primer energiaforrásokból elfogadható hatásfokkal termelni, a biotechnológiai megoldások és rendszerek gyors fejlődése komoly ígéret a jövő hidrogén alapú gazdasága számára.
A H2 és az elektromos áram abban is hasonlít egymásra, hogy energiahordozóként mindkettő komoly tárolási feladatot jelent. Számos megoldás létezik különféle fejlettségi fokokon, ráadásul a két tiszta energiahordozó-féleség kis veszteséggel egymásba is átalakítható (víz elektrolízissel illetve az ún. üzemanyagcellákban) igény és szükség szerint. A nagy gépkocsigyártó cégek szinte kivétel nélkül kifejlesztették már a hidrogén, elektromos, valamint a mindkét energiahordozót használni tudó ún. hibrid gépkocsi prototípusaikat, hidrogénnel hajtott autókkal és buszokkal már sokfelé találkozhat a közember az iparilag fejlett országokban. A hosszabb távra tervező és előre látó országok növekvő és tekintélyes összegeket költenek a hidrogén-gazdaság bevezetését elősegítő kutatásokra, fejlesztésekre, demonstrációs projektekre és a szükséges infrastruktúra kiépítésére. A folyamatot azonban valamiféle misztikus titkolózás lengi körül, az elkerülhetetlenül bekövetkező és mindennapi életünket alapvetően befolyásoló változásokról keveset lehet hallani. Ezért ma még a problémával közvetlenül nem foglalkozó tudományos közvélemény is jórészt tájékozatlan a kibontakozó ipari forradalom mozgatórugóival, megoldási lehetőségeivel kapcsolatban.
Miért hidrogén?
A 21. század küszöbén globális környezeti és energiaválsággal kell szembenéznie az emberiségnek. Ameddig fosszilis energia bőségesen áll rendelkezésre, életünk minden mozzanatát ennek felhasználásával tettük és tesszük kényelmessé. Mára azonban egyértelműen sokasodó bizonyítékok sora ébreszti rá a politikai döntéshozókat is, hogy a fosszilis energia féktelen habzsolása a környezetet súlyosan károsítja, ami hamarosan az emberiség és rajtunk kívül számos faj földi létét veszélyezteti.
A hagyományos energiahordozókkal való szakítás elsősorban környezetvédelmi megfontolások alapján indokolt. Az energiaipar és a közlekedés felelős a mai globális CO2-kibocsátás 80-90 %-áért; az üvegházhatás kézzelfogható eredményei a globális felmelegedés, az aszályok, árvizek, hőségrekordok, fagykárok, hurrikánok, hó- és sárlavinák; a savas esők egyre gyakoriabbakká válnak, következményeiket naponta a bőrünkön érezzük. Az utóbbi százötven év során a Föld hőmérséklete 1°C-al emelkedett, ez már közvetlenül befolyásolja az egyébként is nagyon ingatag egyensúlyokon nyugvó életterünket. A jelenség kutatói körében nincs kétség, hogy átfogó változás nélkül ez a tendencia fel fog gyorsulni, és hamarosan visszafordíthatatlanná válik. A világméretű környezeti katasztrófák óriási személyi és anyagi károkat okoznak. Mindezt felismerve a Magyar Köztársaság is aláírta az ún. Kiotói Megállapodást, amelynek célja a környezeti szennyezés globális megállítása és stabilizálása legalább az 1990. év előtti szinten. Az optimálistól messze levő, de elérhető cél előfeltétele egy kevésbé szennyező globális energiahordozó bevezetése, és a hidrogén erre a legalkalmasabb jelölt. A vezető politikai és gazdasági hatalmak irányítói egyre konkrétabb ígéreteket tesznek a globális probléma megoldási szándékáról. Nemcsak Romano Prodi, az EU akkori elnöke tett hitet a hidrogén energiahordozó bevezetése mellett, de még a Kiotói Megállapodás aláírását megtagadó George W. Bush amerikai elnök is majdnem másfél milliárd dollárt különített el a közvélemény számára is emészthető program, a "nulla környezetszennyeződést okozó", új gépkocsik kifejlesztésére.
A távolról sem elegendő hatékonyságú takarékossági, energiaracionalizálási erőfeszítések sajnos nem változtatták meg az alapvető tendenciákat, amelyek a globális hatásokon kívül az emberek milliói számára már közvetlen egészségkárosító hatásúak.
Az egyébként is súlyos helyzetet tetézi a gazdaságosan kinyerhető fosszilis energiahordozó készletek kimerülése, és az ezzel szükségképpen együtt járó politikai és gazdasági bizonytalanság és feszültség.
A problémák nagy részére megoldást kínál a hidrogén mint energiahordozó, ezt a kormányok, az ipari szakemberek és a kutatók egybehangzóan vallják. A tiszta, előállításakor és felhasználásakor egyaránt CO2-emissziómentes energiahordozót megújuló forrásokból nagy mennyiségben lehet előállítani természetes biológiai folyamatok felhasználásával. Hidrogént közvetlenül a felhasználás helyén, a kis közösségek szükségleteit kielégítve is tudunk termelni, tehát igazán meggyőzően kedvező hatása lehet a társadalmi, energetikai és gazdasági előnyök realizálására. Egyre sürgetőbb kényszerűség ebben a társadalmi légkörben, hogy az olaj és földgázgazdaságról a hidrogéngazdaságra való áttérés körüli teendők megoldásán töprengjenek a politikai döntéshozók és szakemberek egyaránt.
Valójában a hidrogén energetikai használata nem teljesen új gondolat, hiszen a szén gázosításával előállított ún. "városi" vezetékes gáz az 1960-as évekig világszerte használatos volt, ennek pedig fele H2-ből állt. Az ipar ma óriási mennyiségben használ H2-t, elsősorban a vegyipar, az élelmiszeripar és a fémkohászat. Az első ember, aki a Holdra lépett, H2 hajtotta rakéták segítségével jutott el odáig. Az utóbbi években gyakorlatilag minden nagyobb gépkocsigyártó, olajkitermelő és -feldolgozó vállalat vagyonokat fektet a H2-re alapozott technológiák kifejlesztésébe. Csak az elmúlt években az Egyesült Államok és az Európai Unió dollárszázmilliókat, illetve eurótízmilliókat kötelezett el a hidrogénalapú gazdaság megalapozása érdekében. A befektetéseket finanszírozó gazdasági és politikai döntéshozók bölcsességének korlátait legfeljebb az bizonyítja, hogy ezek a technológiák még szinte kivétel nélkül fosszilis energiahordozók használatára épülnek, ami hosszú távon a globális energia és a globális környezeti gondok egyikét sem oldja meg.
A gazdasági és politikai feltételek rohamos romlása közepette kell az új energiaforrásnak és energiahordozónak teret nyerni. Hidrogént ugyan ma is tekintélyes mennyiségben állítanak elő, de a világon termelt 500 milliárd m3 (ez nagyjából 6,5 EJ energiának felel meg) hidrogén 99 %-át földgázból nyerik, tehát a hidrogéntermelési technológiákat teljesen új eljárásokkal kell felváltani. A számításba jövő megoldások előnyeit és hátrányait később részletesen áttekintjük.
Természetesen a pénzügyi kilátások sem elhanyagolhatóak. Az energia iránti igény növekedése várható világszerte legalább az előre látható következő ötven évben. A tendencia kombinálódik a gazdaságosan kiaknázható készletek rohamos csökkenésével, ami garantáltan a csillagos égbe viszi fel az energiaárakat. Ezen csak a gyökeres változás segíthet. Reális számítások szerint a viszonylag olcsó olajkészletek 2030-40-re kimerülnek, és a földgázkészletek is legfeljebb további húsz évre elegendőek. Történelmi időskálán mérve tehát nagyon kevés a rendelkezésre álló idő egy ipari forradalom számára. Márpedig az emberiség történetében egy-egy új energiahordozóra való globális áttérést globális ipari forradalom kísérte és kíséri a jövőben is. Meg kell jegyezni, hogy szénből még legalább száz évre elegendő, kitermelhető készletet ismerünk. A szén hasznosítására ismert, elégetésen alapuló technológiák azonban a legnagyobb körültekintés mellett is óriási CO2-kibocsátással járnak. Ezért a szénre mint globális energiaforrásra visszatérni annyit jelentene, hogy még a készletek kimerülése előtt "megfőzzük" magunkat, a globális felmelegedés felgyorsításával az emberiség megszünteti a létfenntartásához szükséges környezetet, azaz kiirtja saját magát. Nyilvánvalóan ez sem kívánatos stratégia az emberiség számára. Az Irak elfoglalásában kicsúcsosodó legutóbbi világpolitikai fejlemények arra hívják fel a figyelmet, hogy ráadásul a fosszilis energiahordozó-készlet zöme a politikailag kevésbé stabil régiókban található. Megindult a készletek feletti rendelkezés erőszakos biztosítása. A háborús konfliktusok szaporodása, sok emberélet elvesztése és nemzetek elsöprése, elnyomása várható a fosszilis energiahordozók feletti marakodás eredményeként.
Elkerülhetetlen, hogy a hidrogén energiahordozót összehasonlítsuk a ma széles körben használatos energiahordozókkal. Az összehasonlítási eljárások természetesen alaposan befolyásolják a végkövetkeztetést. A probléma több irányból közelíthető meg: figyelembe kell venni a kitermelés és felhasználás során keletkező környezeti károsodást, és számításba kell venni az energia "használható" formába hozásához (kitermelés, feldolgozás, szállítás) befektetendő energiát. Ma már jogos igény, hogy a termék teljes életciklusára kivetítve kell számítani ezeket az adatokat, és valahol az összetett számolgatás végén jutunk el az igazság közelébe.
Az 1. táblázatban a tömeg- és térfogategységre vetített energiatartalmakat és a felhasználásig (elégetésig) keletkező szén-dioxid-kibocsátás mértékét hasonlítjuk össze. Ezek a mutatók a különféle energiahordozók közvetlen összehasonlítását teszik lehetővé. A táblázatból kiolvasható, hogy a H2 jó energiahordozó a benzinnel vagy a földgázzal összehasonlítva, hiszen az egységnyi tömegre vonatkoztatott energiatartalma kétszerese a hagyományos energiahordozóknak. Ugyanakkor az egységnyi térfogatra vetített mérőszámban már gyengébbnek mutatkozik a fosszilis hordozóknál, ami egyrészt azt demonstrálja, hogy az összehasonlításokkal valóban csínján kell bánni, másrészt a hatékony tárolási technológia fontosságára hívja fel a figyelmet. Egyre súlyosabban esik latba a környezetszennyezési komponens: ebben a hidrogén verhetetlen, főként, ha ún. üzemanyagcellában "égetjük el", azaz alakítjuk át elektromos árammá. A fosszilis energiahordozók közül a földgáz okozza relatíve a legkevesebb környezeti bajt, az olajjal és szénnel összehasonlítva majdnem tisztának mondható. A metán huszonötször erősebb üvegházhatást okozó gáz (ennyivel hatékonyabban abszorbeálja az infravörös tartományba eső sugárzást), mint a CO2, tehát a környezet is jobban jár, ha elégetjük a CH4 és CO2 keverékéből álló földgázt CO2-vé. De az olajat és földgázt nemcsak energiaforrásként égethetjük el, hanem sokkal bölcsebben hasznosíthatók számos termék előállítására, például különféle műanyagokat és rengeteg más vegyipari terméket készíthetünk belőlük.
A nukleáris energiát nem soroltuk fel az 1. táblázatban, aminek az oka, hogy a hidrogén és a nukleáris energiahordozók összehasonlítása a táblázatban használt kritériumoktól eltérő viszonyításban értelmes. Egyik energiahordozó sem járul hozzá közvetlenül az üvegház hatáshoz. A nukleáris erőművek mégsem veszélytelenek, hiszen óriási természeti erőforrásokat kell befektetni az energia szabályozott kinyeréséhez, és legalább kilencven évig kell várni, mire a háttérsugárzás annyira csökken, hogy egy erőművet el lehet bontani. A közvéleményben a hátrányokat tetézi (főleg Csernobil óta) a reaktorrobbanástól való rettegés. A maghasadásból származó energia tehát komoly kiegészítő forrás lehet, de az emberiség globális ellátását aligha lehet biztonságosan alapozni nukleáris erőművekre.
Az egyes nemzeti és nemzetközi programokról az alábbi internetlapokon lehet bővebb információt találni:
Nemzetközi: http://www.iahe.org/ * http://www.elsevier.com/wps/find/journal-description.cws_home/485/description#description * http://www.iea.org/ * http://www. hydrogen.org/index-e.html * http://www.energies-tech.com/Top_Science_Technology_Energy_Hydrogen.html
USA Department of Energy: http://www.eere.energy.gov/hydrogenandfuelcells/
Kalifornia: http://www.hydrogenhigh-way.ca.gov/
Kanada: http://www.NRCan-NRCan.gc.ca:80/inter/index_e/html * http://www2.nrcan.gc.ca/es/oerd/english/view.asp?x640 * http://www.h2.ca/en/index.html
Japán: http://www.enaa.or.jp/WE-NET
Grönland: http://www.newenergy.is/
Oroszország: http://www.spacedaily.com/news/energy-tech-03zt.html
Mexikó: http://www.gefonline.org/projectDetails.cfm?projID=931
Európai Unió: http://www.fuel-cell-bus-club.com * http://www.hynet.info/index00.html
Anglia: http://www.H2NET.org.uk * http://fuelcellnetwork.bham.ac.uk * http://www.fuelcellmarkets.com/home-lhp.fcm?subsite=1676
Németország: http://www.munich-airport.de/EN/Areas/Company/Umwelt/Wasserstoffprojekt/index.html * http://www.hydrogen.org/index-e.html
Magyarország: http://www.szbk.u-szeged.hu * http://biotech.szbk.u-szeged.hu * http://www.biogas.hu
Hagyományos energiahordozók átalakítása
Manapság a világon előállított H2 túlnyomó többségét (>99 %) földgázból nyerik az ún. gőz-metán (GM) átrendeződési technológiával. Az eljárás fosszilis energiahordozó felhasználásán nyugszik, tehát nem kompatibilis a fenntartható fejlődés és megújuló energiaforrás használatának koncepciójával. Ezekkel a fenntartásokkal együtt is sokan úgy tekintenek az eljárásra, mint átmeneti állomásra a hidrogéngazdaság felé, legalább addig, amíg a megújuló forrásokból nyerhető H2 technológiák ki nem fejlődnek.
Gőz-metán (GM) átrendeződés
A GM ma a legegyszerűbb és leggazdaságosabb módja a H2 üzemi léptékű előállításának. Általában négy lépésben lehet a teljes reakciósort megvalósítani (1. egyenlet). A földgáz tisztítása után a gázt túlfűtött gőzzel együtt egy katalizátor felülete mentén engedik át, tipikusan 850-900 °C hőmérsékleten. A metán ilyen körülmények között először CO-vá oxidálódik (2. egyenlet), és hidrogén szabadul fel. A felszabaduló CO ezután a vízgőzzel reagálva kémiai átrendeződésen megy keresztül, ami CO2 és H2 képződéshez vezet (3. egyenlet). A keletkező H2 tisztítása a végső lépés. A GM eljárás nagyon endotermikus módszer, a technológia megvalósításához elengedhetetlenül szükséges, hogy magas hőmérséklet (forró vízgőz) és nagyon aktív nikkel tartalmú katalizátor legyen jelen.
A teljes reakció
CH4 + 2 H2O <=> CO2 + 4 H2 1. egyenlet
Részleges metán oxidáció
CH4 + H2O <=> CO + 3 H2 2. egyenlet
CO oxidáció
CO + H2O <=> CO2 + H2 3. egyenlet
Az átalakítási hatásfok a nyomás növekedésével csökken, a GM reakciót ideálisan <40 bar nyomáson kell tartani. Az eljárás egyik legnagyobb hátránya az, hogy nagyon sok CO2 keletkezik, aminek a zöme a légkörbe kerül. A H2 és CO2 súlyaránya 1:10, ezért az eljárás csak akkor fogadható el környezeti szempontból, ha a CO2 megkötéséről gondoskodnak, ez a költségeket 20-30 %-kal emeli meg. Természetesen a legkomolyabb probléma, hogy ez a technológia csak addig alkalmazható, ameddig elegendő metán áll rendelkezésünkre. A fosszilis forrásból származó földgázkészlet napjai azonban meg vannak számlálva. A technológia nagyobb átalakítás nélkül alkalmas például a jövőben biomasszából fermentált biogáz megújuló energiaforrásának átalakítására, ami új dimenziót adhat a GM reakció energetikai hasznosításának.
Szén és olaj részleges oxidációja
A folyamat lényegét tekintve nagyon hasonlít a fentebb tárgyalt GM eljáráshoz, csak itt az alapanyagot még alaposabban fel kell melegíteni, hogy a részleges oxidáció végbe tudjon menni. A hevítést oxigén vagy levegő jelenlétében 1400 °C végzik, ilyenkor CO, H2 és némi maradék szén keletkezik. A 4-6. egyenletek szerint, a CO tovább alakítható CO2-vé, ahogyan azt fentebb bemutattuk.
Általános reakció
CxHy + 0,5xO2 => xCO + 0,5yH2 4. egyenlet
Földgázra alkalmazva
CH4 + 0,5 O2 => CO + H2 5. egyenlet
Szénre alkalmazva
C + 0,5 O2 => CO 6. egyenlet
Az eljárás előnye, hogy gyakorlatilag bármilyen széntartalmú kiindulási anyaggal működőképes, ha azt nyomás alá tudjuk helyezni és pumpálható formába lehet hozni. A reakció exotermikus katalizátorral és katalizátor nélkül is levezethető. Hátránya a nagy mennyiségű és drága tiszta oxigén igénye, és még optimális körülmények között is csak 50 % körüli átalakítási hatásfok érhető el. Hasonlóan a GM technológiához, itt is számolni kell a keletkező CO2 megkötésének igényével, és a képződő hidrogént tisztítani kell. A módszer alkalmazásához a szenet porítják és vízzel keverik, hogy pumpálható legyen. Figyelemreméltó tulajdonsága az eljárásnak, hogy biomasszára is alkalmazható, ami megújuló és a CO2-kibocsátás szempontjából semleges megoldás kialakítását teszi lehetővé.
Pirolízis
Az eljárás igen magas hőmérsékleten, oxigénmentes környezetben történő bomlást valósít meg (7. egyenlet). Hátránya, hogy a kivitelezéshez drága, ipari méretekben működő plazmareaktort kell használni, ez jelentősen emeli a beruházási költségeket. Legfőbb előnye, hogy nem jár nettó CO2-kibocsátással, és nem igényel költséges oxigént. További előny a képződő aktív szén, ami értékes és hasznosítható (festék, tinta, gumi, gépkocsiabroncs és műanyagipar) melléktermék.
Földgázra alkalmazva
CH4 + Cx => C1+x + 2 H2 7. egyenlet
Vegyipari melléktermék
A különböző vegyipari lépésekben jelentős mennyiségben keletkezik hidrogén, például a klór, az acetilén vagy a cianid előállítása során. Ezt a H2-t ma a legtöbb helyen nem hasznosítják - a légkörbe eresztik vagy biztonsági megfontolásokból elfáklyázzák. Példaként a 8. egyenlet a klór előállítását mutatja be. A képződő H2 higannyal szennyezett, ezért tisztítani kell, de tisztítás után viszonylag könnyen előállítható a 99,9 % tisztaságú H2 gáz. A Cl2 és H2 gázt persze elővigyázatosan és külön kell tárolni, mert mindkettő robbanásveszélyes, ezért a keletkező H2 15 %-át manapság inkább a levegőbe engedik.
2 NaCl + 2 HxO => 2 NaOH + Cl2 + H2 8. egyenlet
Vízelektrolízis
Elektromos áram segítségével az elektrolitba merülő elektródák felszínén vízbontás játszódik le. A folyamat alaposan tanulmányozott és ismert, a jelenleg ismeretes legtisztább H2 előállítási módszer, amelynek nagyüzemi kivitelezése is megoldott. Áramot megújuló forrásokból is elő lehet állítani (közvetlen napenergiahasznosítással, biomasszából, szél vagy vízi erőművekkel), tehát a technológia környezeti károk nélkül, jó hatásfokkal (80-95 %) alkalmazható a 9. egyenlet szerint.
H2O => 0,5 O2 + H2 9. egyenlet
A technológia széleskörű elterjesztésének érdekében elektrokémiailag stabil elektródákat kell kifejleszteni és az eljárás költségeinek drasztikus csökkentését kell megoldani. Egy ígéretes lehetőséget kínál a víz helyett hidrogénbromid használata. A HBr bontása (10. egyenlet) feleannyi áramot igényel, mint a közvetlen vízelektrolízis, és a H2 kinyerése gazdaságosan megoldható. A HBr bomlását a hőmérséklet emelésével és fénnyel elősegíthetjük, ami a rendszer gazdaságosságát javítja.
2 HBr => Br2 + H2 10. egyenlet
A HBr regenerálás metán jelenlétében végezhető el
CH4 + 2Br2 => C + 4 HBr 11. egyenlet
A teljes reakcióegyenleg tehát H2 és aktív szén előállításával jár, ami környezeti szempontból kiváló értékelést ad a technológiának.
Napenergiahasznosítás
Önként kínálkozik az ötlet: rendelkezésünkre áll az óriási fúziós reaktor, amit Napnak hívunk, és tőlünk biztonságos távolban üzemelve valódi kiutat jelenthet az energetikai zsákutcából. Mekkora ez az energiakészlet? Az összes ismert fosszilis energiahordozó-készleteink a Föld felszínére érkező körülbelül százórányi napsütés energiatartalmát képviselik. Más összehasonlításban a számok azt mutatják, hogy az emberiség mai egyéves teljes energiafelhasználása a Föld felszínét érő mintegy egyórányi napenergiával egyenértékű! Tehát a globális energiaigények kielégítéséhez bőségesen elegendő a hozzánk érkező napenergia. Azonban a napenergia hasznosítása sem egyszerű feladat. A koncentrált formában bányászható, fosszilis energiahordozók használatára kialakult energetikai ipar egyelőre nem tud mit kezdeni a Föld felszínére érkező hatalmas mennyiségű, de majdnem egyenletesen elterülő energiaforrással. A mai technológiákkal nehezen fogható munkára, hiszen néhány ponton felállított erőművekkel nem lehet gazdaságosan működő rendszert kialakítani, a "híg" energia nagy felületen végzett begyűjtésének technikájához pedig ma még nem sokat ért az emberiség. A kutatás világszerte versenyt fut az idővel, hogy a hagyományos energiahordozó készletek elapadása előtt kidolgozzuk az új, globális energiatermelő technológiákat. Ezek a technológiák szükségképpen minden ország számára fontosak, hiszen a napenergia széleskörű hasznosítása automatikusan megszünteti egyes régiók kiváltságos energiaszolgáltató helyzetét. Amint említettük, a napenergiának fontos tulajdonsága, hogy a fosszilis energiaforrásokkal szemben egyenletesen érkezik a Föld felszínére. A hagyományos energiahordozókban nem bővelkedő Magyarországnak tehát éppen olyan esélye van arra, hogy napenergiára alapozott forrásokból ötven év múlva energetikailag önellátó legyen, mint bármely ma még gazdag OPEC-országnak.
Fotokémiai rendszerek
Félvezetők alkalmazásával kidolgozták a fotoelektrolízisen alapuló eljárások sorát. A félvezető elemeket több rétegben el lehet helyezni, ami a helykihasználás szempontjából előnyös. Fontos, hogy a komponensek ne károsodjanak víz jelenlétében, és figyelembe kell venni a félvezetők ellenállásának erős hőmérsékletfüggését. A fénybegyűjtő rendszernek a vízbontáshoz elegendő feszültséget kell generálni. Elméleti számítások szerint a fényátalakítás hatásfoka akár 15 % is lehet, de a gyakorlatban nehézséget jelent a cellák élettartamának biztosítása és a látható tartományba eső fény hasznosításának igénye. A problémák megoldásán világszerte intenzíven dolgoznak a kutatók.
A fotokémiai megoldásokban olyan vegyületeket használunk, amelyek a redox reakció elősegítésével, érzékenyítésével növelik a hidrogéntermelés hatékonyságát. Az érzékenyítő vegyületek vagy félvezetők elnyelik a látható tartományba eső fényt, és elősegítik azokat a fotokémiai reakciókat, amelyek a víz elbontásához szolgáltatnak elektronokat. A reakció sebességét befolyásolja a napsugárzás időben egyenetlen eloszlása, ezért nagyon fontos, hová helyezzük el az ilyen rendszereket. A fotokémiai rendszerek széleskörű bevezetése előtt meg kell oldani a hatásfok jelentős javítását, a rendszer élettartamának növelését és a költségek csökkentését.
A kémiai megoldások számos változata ismert, amelyek ígéretes kutatási eredményekkel kecsegtetnek. Közös hátrányuk azonban, hogy a felhasznált vegyületeket nagy tömegben kell előállítani, ami nehezíti globális felhasználásukat. Az ilyen megoldások stabilitása és gyakran kiváló fényenergiahasznosító képessége azonban mindenképpen az ígéretes jelöltek között tartja őket.
Biotechnológiai rendszerek
Fotoszintézis
Létezik a természetben olyan biológiai mechanizmus, amely az evolúció évmilliói alatt éppen a nehezen megfogható napenergia kémiai energiává alakításának képességét fejlesztette ki. A fotoszintézis kulcsfontosságú energiaraktározási és szervesanyagfelépítési folyamat, melyet az utóbbi évtizedekben egyre intenzívebben tanulmányoznak. Nem véletlenül, hiszen a fotoszintézis adja a Föld évi szervesanyag-termelésének túlnyomó részét. A növények mellett az egy- és soksejtű moszatok, ostoros egysejtűek, barázdás- és kovamoszatok, barna- és vörösmoszatok szintén fotoszintetizálnak, sőt a cianobaktériumok, zöld- és bíborbaktériumok is fotoszintetikus energiaátalakítás útján szerzik az életük fenntartásához és a szaporodáshoz szükséges energiát. Az energiatermelés szempontjából a fotoszintetizáló mikroszkopikus élőlények (algák, baktériumok) jönnek elsősorban számításba, mert viszonylag gyorsan, nagy tömegben és olcsón tenyészthetők. Fotoszintetizáló mikroorganizmusokat az egész Földön találhatunk, főleg tengerekben, tavakban, hőforrásokban, magas sótartalmú vizekben fordulnak elő nagy számban.
A zöld növények és algák jó része a megkötött fényenergiát első lépésben vízbontásra használja fel, a vízből oxigéngáz, valamint a kémiai energiát hordozó elektronok és protonok keletkeznek. Az elektronokban átmenetileg raktározott kémiai energia akkor stabilizálódik, amikor valamilyen szerves molekula szintéziséhez használódik fel, így cukrok, aminosavak, végső soron egy új fotoszintetizáló élőlény képződik. A folyamat végterméke, amit biomasszának is hívunk, jelentős mennyiségű, kémiai kötésekben raktározott napenergiát tartalmaz. Az ember számára hasznos energiaátalakító rendszerhez elvileg az egész, bonyolult folyamat első része elegendő, a vízbontás utáni lépések során az energiatermelés szempontjából egyre több a veszteség. Energetikailag leggazdaságosabb megoldás a vízbontás során képződő elektronok és protonok egyesítése hidrogénné (1. ábra). Fotoszintetikus energiaátalakító rendszerünkben tehát a napenergia formájában rendelkezésre álló energiát vízbontásra, oxigén- és hidrogéngáz előállítására fordítjuk. Az oxigén és hidrogén - egymástól elkülönítve - jól szállítható és tárolható. A felhasználás helyén az O2 és H2 elégetésekor a megkötött napenergia felszabadul, az égés során víz keletkezik belőlük. Így a gyakorlatilag kimeríthetetlen napfényt egy olyan körfolyamatban tesszük energetikailag hasznosíthatóvá, amelyben a tároláskor vizet bontunk összetevőire, a felhasználáskor pedig a komponensekből vizet állítunk elő (1. ábra).
A feladat ellátására alkalmas biológiai rendszer a természetben nem létezik. Ennek oka az, hogy a biológiai rendszerek számára egy vízből oxigént és hidrogént gyártó feladatsor teljesen értelmetlen. Könnyen belátható, hogy a reprodukcióra, a saját faj minél szélesebb körben való elterjesztésére "programozott" élő rendszerek a rendelkezésükre álló, változatos és furfangos molekuláris szabályozó mechanizmusok bevetésével igyekeznek elkerülni azt az állapotot, amelyben aktivitásuk arra fordítódna, hogy az életük és a faj fenntartása szempontjából értéktelen, ezért végső soron a környezetbe kibocsátott oxigént és hidrogént állítsanak elő a nehezen megszerzett és fixált napenergiából. Ezért a természetben spontán fennmaradó biológiai szervezetekben a kívánatos rendszer elemeit megtaláljuk ugyan, de az egyes elemek (fotoszintetikus rendszer, elektrontranszport lánc, hidrogéntermelő enzimek) különálló fajokban fordulnak elő. Átmeneti megoldások léteznek, például a heterocisztákat képezni tudó cianobaktériumok esetében, ahol a vízbontás és hidrogéntermelés lépései ugyanazon faj funkcionálisan differenciált sejtjeiben térben szétválasztódnak, ezzel a cianobaktérium számára előnyösen használható és kevés veszteséget jelentő rendszer jön létre. A hosszú távú stratégia a vízbontással oxigént és hidrogént termelő mikroorganizmusok mesterséges kifejlesztése, rekombináns úton való létrehozása lehet molekuláris biológiai és genetikai módszerek segítségével. Ez elvileg és technológiailag ma már nem lehetetlenül bonyolult feladat, bár a rendelkezésre álló ismeretanyag birtokában az ipari szinten használható rendszerek létrehozása 5-8 éven belül valószínűtlen. A fotoelektromosság vagy a nukleáris energia kutatásához és hasznosításához hasonlóan komoly alapkutatási tevékenységnek kell megelőznie a folyamat széleskörű felhasználását. Ez egy globális kutatás-fejlesztési összefogást igénylő feladat, amelyben Magyarországnak ki kell vennie a részét, ha nem akarunk egy energetikailag kiszolgáltatott országot hagyni a következő generációkra.
Hidrogenáz
A fotoszintetikus vízbontás molekuláris részleteiben lenyűgözően összetett folyamat, ami nem túlságosan magas, de elfogadható hatékonysággal működik a természetben. A rendszer komplexitása miatt átalakítására, számottevő módosítására a mai ismereteink birtokában nem vállalkozhatunk, bár a fotoszintézist utánzó, egyszerűbb felépítésű mesterséges rendszerek kutatása intenzíven és biztató kezdeti eredményekkel folyik. A következőkben ezért a folyamat másik elemét, a hidrogéntermelés biológiai lehetőségét vizsgáljuk meg közelebbről. Mint a legtöbb biológiai feladatot, a hidrogénképződést is egy enzim katalizálja, amit hidrogenáznak nevezünk. A hidrogenáz az evolúció időskáláján ősi enzimnek számít, elsősorban baktériumokban és algákban találjuk meg, később azzal párhuzamosan eltűnt, hogy a redukáló légkört az evolúció magasabb fokán az oxigént tartalmazó atmoszféra váltotta fel. Mivel a hidrogenáz oxidációs-redukciós folyamatokat katalizál, kapcsolatban áll a baktériumokban működő elektrontranszport lánc folyamataival, akár elektron donorként, akár elektron akceptorként.
A hidrogenáz enzim egy redox fehérje, az élővilágban előforduló legegyszerűbb molekula, a hidrogén képződését vagy elbontását végző katalizátor (12. egyenlet),
H2 <=> 2 e- + 2 H+ 12. egyenlet
de az egyszerűnek tűnő feladatot az enzim meglehetősen összetett molekuláris mechanizmus szerint oldja meg. Az ismert hidrogenázok zöme Ni és Fe atomokat tartalmazó redox metalloenzim. Az élő szervezetben a fémeket körülvevő különleges és bonyolult elrendezésű fehérjemolekula, a fehérje és a fématomok közötti kölcsönhatás ruházza fel a molekulába zárt nikkel- és vasatomokat azzal a képességgel, hogy a hidrogéngyártás vagy -bontás elemi lépéseit szobahőmérsékleten katalizálni tudják. A kutatás központi feladata ezért a fehérje és a hozzá kötött fémek közötti kölcsönhatás törvényszerűségeinek megismerése a metalloenzimekben.
A probléma metodikailag nem közelíthető meg egyszerűen, mert a rendelkezésre álló spektroszkópiai vizsgálati módszerek egy része a fém centrumokról ad viszonylag pontos képet, de nem mutatja meg a fehérjeszerkezet részleteit. A modern molekuláris biológiai technikák másik része viszont a fehérjéről nyújt információt, de nem tud semmit mondani a benne rejlő fémek változásairól. A kétirányú megközelítés: a fémeket kimutató biofizikai módszerek és a fehérjeszerkezet tanulmányozására kifejlesztett molekuláris biológiai technikák együttes alkalmazásával igyekszünk a metalloenzimek molekuláris szerkezetét és működését feltárni.
Az eredményes hasznosítás egyik fontos feltétele, hogy megfelelő stabilitású enzimet használjunk. A legtöbb redox metalloenzimhez hasonlóan a hidrogenázok zöme könnyen elveszti aktivitását, ha a levegő oxigénjével találkozik, vagy magas hőmérsékletű környezetbe kerül. A hővel vagy oxigénnel elpusztított hidrogenázt pedig általában már nem lehet ismét életre lehelni. Ennek oka is a fématomok és a fehérje környezet érzékeny kölcsönhatásában rejlik, aminek molekuláris részleteit pontosan még nem ismerjük. Szerencsére kivételek azért akadnak, és ismerünk egy-két kiemelkedően stabil hidrogenázt tartalmazó mikroorganizmust. Ilyen például néhány fotoszintetizáló baktérium, amelyek külön előnye, hogy egyszerű és olcsó ásványi sókból álló tápfolyadékban, a napenergia felhasználásával szaporodnak.
Egy hasznos modellszervezet
Számos mikroorganizmust vizsgálnak alaposan a világ különböző laboratóriumaiban. Az egyik főszereplő természetesen a molekuláris biológia állatorvosi lova, az Escherichia coli bélbaktérium. Előnye nem csak az, hogy az E. coli a legalaposabban tanulmányozott mikroorganizmus, a hidrogenázkutatókat az is lelkesíti, hogy a tenyésztési körülményektől függően négy, különféle funkciót ellátó NiFe-hidrogenázt képes szintetizálni. Nem áll egyedül azzal a tulajdonságával, hogy a különböző élettani feladatokra szerkezetileg hasonló, de funkcionálisan eltérő hidrogenázt használ. Egyre több baktériumról derül ki, hogy egynél több hidrogenázt tartalmazhatnak, ami a szerkezet-funkció típusú összehasonlító vizsgálatokat segíti, hiszen a fajok közötti különbségekkel nem kell bajlódni. A fentebb említett megfontolások alapján vizsgálatainkhoz egy fotoszintetizáló baktériumot kerestünk, és az évek során kiderült, hogy eredeti választásunk a Thiocapsa roseopersicina bíbor, kénfüggő fotoszintetizáló baktérium a hidrogenázok kutatása szempontjából szerencsésnek bizonyult. A T. roseopersicinát 14 °C-os tengervízből izolálták, 30 °C felett már nagyon melege van, nem növekszik, nem szaporodik még laboratóriumi kényelemben sem. Fakultatív anaerob, és képes megfelelő körülmények között N2-t fixálni, valamint sötétben fermentatív anyagcserét folytatni. Kezdeti kísérleteink kiderítették, hogy a T. roseopersicina tartalmaz egy Ni-Fe hidrogenázt, amely a többi Ni-Fe hidrogenázhoz képest szokatlan tulajdonságokkal rendelkezik. A natív enzim figyelemreméltóan stabil a proteolitikus emésztéssel szemben. Ez a tulajdonsága kényelmes a fehérjetisztítás és előnyös a biotechnológiai hasznosítás szempontjából. Másik érdekes sajátossága, hogy habár a T. roseopersicina mezofil mikroorganizmus, a hidrogenáza termofil, 70 °C felett van az enzim optimális működési hőmérséklete. Ez a hidrogenáz kevéssé érzékeny O2 inaktiválásra. A tisztított enzimet biokémiailag és különböző spektroszkópiai módszerekkel részletesen jellemeztük, ezek a módszerek mind azt mutatták, hogy megszólalásig hasonló a más mikroorganizmusokból tisztított, de sokkal kevésbé stabil hidrogenázokhoz.
Arra irányuló kísérleteink, hogy a stabil hidrogenázt kódoló géneket izoláljuk, vezettek egy másik géncsalád felfedezéséhez, amit hupSL-nek neveztünk el. A hup géncsalád nagymértékben homológ más NiFe-hidrogenázok génjeivel. A hupSL fehérje ugyanolyan nehezen kezelhető, instabil enzimféleség, mint az irodalomból ismert NiFe-hidrogenázok túlnyomó többsége. Időközben a stabil hidrogenázt kódoló géneket (hynSL) is azonosítottuk, és kiderült, hogy a szekvenciában és elhelyezkedésben is nagyon hasonló, de stabilitásban jelentősen eltérő mindkét hidrogenáz a fotoszintetikus membránhoz kötött, mégpedig úgy, hogy az aktív centrumuk a külvilág felé néz, aminek bioenergetikai jelentősége van. Újabban egy harmadik, szintén NiFe-aktív centrumot tartalmazó, de a citoplazmában oldott hidrogenázt (HoxYH) is találtunk a T. roseopersicinában. A Hox hidrogenáz azért különösen érdekes, mert ellentétben a membránba ágyazott stabil (Hyn) és instabil (Hup) kollégáival, amelyek az élő sejtben elsősorban a H2 felvételét és bontását végzik, a Hox in vivo jelentős mennyiségű hidrogént tud termelni (2. ábra). Végül felbukkant egy negyedik hidrogenázt kódoló génegyüttes is (hupUV) a T. roseopersicinában, ez pedig a más baktériumokból ismert, H2-t érzékelő, ún. szenzor hidrogenázokhoz hasonló szerkezeti elemeket tartalmaz. Ez nemcsak azt jelenti, hogy a T. roseopersicina is olyan gazdagon van ellátva hidrogenázokkal, mint például az E. coli, hanem mivel a Thiocapsa nem patogén és fotoszintetizál, előnyösebben lehet használni biológiai hidrogéntermelő rendszerekben. Az alábbiakban egy olyan példát mutatunk be, ahol a T. roseopersicinát H2-termelésre sikerült "megtanítani", amit egyébként a természetben nem szokott csinálni.
H2-termelés HupK mutánsokban
A hidrogenáz polipeptideken kívül számos, ún. kisegítő géntermékének működésére van szükség ahhoz, hogy funkcionálisan aktív hidrogenázt kapjunk. A sok kisegítő génről képződő számos fehérje mindegyike az aktív hidrogenázok összeszerelésében vesz részt. Van ám tennivaló bőven: a fémionokat fel kell venni, a hidrogenáz-összeszerelés helyére kell szállítani, ott a nagy alegységet alkalmas konformációban kell tartani, hogy bele lehessen illeszteni a fématomokat és egyéb ligandokat, a már majdnem kész nagy alegység fehérje C-terminális végét ezután egy specifikus proteáz levágja, amivel megakadályozza, hogy a fémek a szerkezetből könnyűszerrel elvesszenek. Mindezeket a főbb "szerelési" lépéseket külön-külön fehérjék végzik pontosan összehangolt ütemterv szerint, amit például egy molekuláris léptékű gépezetet összeszerelő szerelősorhoz hasonlóan szervezettnek kell elképzelnünk. Más kisegítő fehérjék az egész rendszer beindítását és leállítását, a szerelősor működési sebességét, a bioszintézis regulációját irányítják. A lenyűgöző az egészben az, hogy egy milliliter tápoldatban több millió ilyen szerelősor működik egyformán, egyforma terméket előállítva!
Az egyik ilyen összeszerelő fehérje a HupK, melynek élettani szerepéről nem sokat tudunk, de az biztos, hogy csak a membránhoz kötött NiFe-hidrogenázok összeszerelésekor van rá szükség. A HupK mutáns jelentős mennyiségű hidrogént termel akkor is, ha a nitrogenáz enzim nem működik (3. ábra). Ilyenkor tehát nem az energiaigényes nitrogenáz úton termelődik a H2, hanem egy NiFe-hidrogenáz közreműködésével, amit a HypF mutáns kontroll is bizonyít. (A HypF is egy "összeszerelő" fehérje, hiányában semmilyen NiFe-hidrogenáz sem szintetizálódik, ezért jó negatív kontrollnak.) Mivel a HupK fehérje a membránhoz kötött hidrogenázok bioszintéziséhez szükséges, a mutáns által termelt H2 csak a citoplazmában található Hox hidrogenáz működésének eredménye lehet (4. ábra), amit független kísérletekkel is bizonyítottunk. HupK mutánsunk az első olyan rendszer, amelyben fotoszintetizáló baktérium egy NiFe-hidrogenázával termel számottevő mennyiségű H2-t. A gyakorlati hasznosítástól persze még ez a megoldás is messze van, de azt jól demonstrálja, hogy valóban meg lehet H2-termelésre "tanítani" a baktériumokat, amelyek erre korábban nem voltak képesek.
A biohidrogén-termelés ma látható korlátai
Közvetlen biológiai vízbontáson alapuló rendszerek
A Föld felszínére érkező napenergia alacsony energiasűrűsége, azaz "híg" volta komoly gazdaságossági gondokat vet fel a jövőbeli gyakorlati rendszerek számára. Ahhoz, hogy elegendő energiát gyűjtsünk össze, óriási bioreaktorokat kell építeni, ez pedig nem olcsó mulatság. A fotoszintetikus energiaátalakítás hatásfoka az élő rendszerekben aligha tudja meghaladni a 10 %-ot. A jóindulatúan is csak szerénynek mondható hatásfok oka az, hogy valójában az egész rendszer hatékonyságát a lassú, sötét reakciók limitálják, a fényenergia elnyelése ennél sokkal jobban tudna működni. Ezért az elnyelt fotonokból elcsípett energia jelentős része hő és fluoreszcencia formájában, az energiahasznosítás szempontjából értéktelenül vész el. A 10 % körüli hatásfokot is csak speciális körülmények között (alacsony fényintenzitás, alacsony O2 parciális nyomás) sikerült megközelíteni. Az alacsony O2 parciális nyomásra elsősorban azért van szükség, mert a hidrogéntermelő reakció algákban különösen oxigénérzékeny. A probléma megoldására számos javaslat született kevés sikerrel. Az O2 megköthető, eltávolítható a rendszerből reverzibilis vagy irreverzibilis kémiai reakciók útján, ez azonban sok pénzbe kerül. Említettük korábban, hogy a cianobaktériumok speciális heterocisztáik segítségével térben el tudják választani a vízbontás és hidrogénlépéseit. Sajnos ezek az élőlények hidrogéntermelésre a nitrogenáz enzimrendszerüket használják, a nitrogenáz viszont olyan sok kémiai energiát igényel a reakció katalizálásához, hogy az egész dolog energetikailag ráfizetés a sejt számára, ipari léptékű technológiát pedig nem lehet az ATP készletükből kizsigerelt cianobaktériumokra alapozni. Ráadásul a nitrogenáz nemcsak energiaigényesen, hanem a hidrogenázokhoz képest borzasztó lassan termeli a hidrogént, ami a gazdaságosságot tovább rontja. Következésképpen a gyakorlatban is működőképes, biológiai vízbontáson alapuló rendszerhez elsősorban O2-rezisztens hidrogenázra van szükség. Nincs olyan hidrogenáz a vízbontás képességével rendelkező szervezetekben, amelyik O2-rezisztens lenne, a molekuláris biológusok előtt álló nagy kihívás az, hogy az ismert (például a fentebb bemutatott fotoszintetizáló baktériumok) példák alapján ilyen biokatalizátort kifejlesszenek. Meg kell itt jegyezni, hogy érdekes kutatások folynak in vitro rendszerek kifejlesztésével kapcsolatban. Ilyenkor az élő sejtekből kinyert komponenseket (fotoszintetizáló komplexeket és hidrogenázokat) próbáljuk meg közös munkára bírni. Az in vitro megoldás előnye az, hogy megszabadulunk az élő rendszerekben ellenünk dolgozó molekuláris szabályozó mechanizmusoktól, hátránya azonban a komponensek funkcionális stabilitásának gyors elvesztése. A biomérnökökre vár az a feladat, hogy időközben megoldják az olcsó, nagy felületet betakaró fotobioreaktorok előállításának problémáját. Bármilyen kecsegető a lehetőség, a közvetlen vízbontáson alapuló biohidrogén-előállítás ipari technológiáját a következő tíz-tizenöt év alatt aligha lehet kidolgozni.
Közvetett vízbontáson alapuló rendszerek
A "közvetett" megoldás azt jelenti, hogy ha nem tudjuk a fotoszintézist és hatékony hidrogenázt egy sejtben összebékíteni, talán jobb megoldás, ha térben vagy időben elválasztjuk a folyamat lépéseit. A fotoszintézis segítségével első lépésben biomasszában rögzített kémiai energiát állítunk elő, majd a biomasszát alakítjuk át H2-vé. Így legalább a hidrogenázok zömének zavaró O2-érzékenysége miatt nem kell aggódnunk. Több javaslat is született a probléma megoldására. Ezek zöme szintén algákat használ a fotoszintetikus lépésben, és arra törekszik, hogy az algák minél több olyan vegyületet raktározzanak a sejtjeikben, amit aztán később fermentatív úton, O2-mentes környezetben hidrogénné lehet alakítani. Az ismert biokémiai utak felhasználásával a fényenergiából az algákkal cukrokat lehet előállíttatni. Egy cukormolekulából az anaerob fermentáló baktériumok maximum 4 H2+2 acetátot képesek csinálni. Egy acetátból a fentebb tárgyalt fototróf baktériumok akár 8 H2-t is ki tudnak hozni, így végül az elméleti maximumot, 12 molekula H2-t nyerhetünk egy molekula cukorból. A fotoszintézist követően sötét fermentációt és fotoheterotróf anyagcserét hasznosító kombinált rendszer gazdaságosan kivitelezhető, laboratóriumi léptékben a cél közelébe jutott el az a nemzetközi konzorcium, amely az EU 5. Keretprogram támogatásával jött létre, és amelyikben kutatócsoportunk is részt vett. (Most a konzorcium azért küzd, hogy további EU-forrásokból folytatni tudjuk a munkát.) Veszteségek persze itt is vannak, hiszen az energia egy részét a mikrobáknak saját szervezetük igényei kielégítésére és szaporodásra kell fordítaniuk. Az így keletkező biomassza azonban visszaforgatható, és belőle jó minőségű biogázt lehet nyerni, ami csökkenti a veszteségeket. A bioenergetikai veszteségeket tovább csökkenti, hogy ez a rendszer már nem az energiaigényes és lassú nitrogenáz enzimet kénytelen használni a fotoheterotróf lépésben, például a korábban tárgyalt T. roseopersicina Hox hidrogenáz sikeres megoldását jelenti a problémának.
Egy másik megközelítésben a Chlamidomonas reinhardtii zöld alga tulajdonságait kívánják hasznosítani. Itt a fotoszintetikus vízbontással járó oxigénfejlődés és H2-termelés lépéseit az alga kén-éheztetésével érik el. Ha nincs elegendő kén a környezetben, az alga fehérjeszintézise előbb-utóbb leáll, és mivel egyes fotoszintetikus fehérjék kicserélődési sebessége a legnagyobb, először a fotoszintézis folyamata sérül. Fotoszintézis hiányában az alga kétségbeesetten próbál más megoldást találni a túlélésre. Kézenfekvő lehetőség, hogy a tartalék tápanyagok egy részét és az amúgy is használhatatlan fotoszintetikus fehérjéket éli fel, ez az ún. légzési folyamat elhasználja a környezetében levő O2-t, és az alga fermentatív anyagcserére tér át. Ez számára a túlélés lehetőségét csillantja meg, ami nekünk azért fontos, mert az anaerob fermentáció körülményei között beindul az eddig nyugvó állapotban levő hidrogenáz enzim szintézise, és a fermentáló alga így hidrogént tud előállítani. A rendszer nem kifejezetten "algabarát", a sejtek csak néhány cikluson keresztül tudják elviselni a fotoszintetikus és fermentatív anyagcseremódok közötti átváltás tortúráját. Ugyanakkor jelentős előrelépés, hogy az anaerob körülmények között dolgozó algák olyan hidrogenáz enzimet képesek bekapcsolni, amelyik H2-termelő aktivitása nagyságrendekkel meghaladja a nitrogenázét.
Mindkét utóbb tárgyalt rendszer esetében igaz, hogy az olcsó és megbízható fotobioreaktorok kifejlesztésének mérnöki problémáin áll vagy bukik az üzemi léptékű gyakorlati hasznosítás. Ezt figyelembe véve valószínűsíthető, hogy három-öt éven belül ipari technológiává fejlődnek a közvetett vízbontáson alapuló rendszerek.
Fermentáció
Sok mikroba képes arra, hogy szerves anyagokat hasznosítva, azokat fermentációval átalakítva szerezze meg a fennmaradásához és szaporodásához szükséges energiát és nyersanyagokat. A fermentáció energetikailag nem a leghasznosabb, de jól megoldható anyagcsereforma, a feleslegben keletkező energiától a sejtek viszonylag egyszerűen, H2-formájában szabadulnak meg. A fermentatív H2 termelés esetében tehát találkozik a termelő baktérium és az energiára vágyó ember érdeke. Sok mindent tudunk a folyamatról és a benne szereplő enzimkatalizátorokról egyaránt. A fermentatív H2-termelésnek az ember szempontjából egy hibája van: a baktériumok csak azt a kémiai energiát fordítják H2-termelésre, ami elkerülhetetlen, és számukra feleslegként jelentkezik. Ez az ő szempontjukból érthető, hiszen a H2 termelés számukra kidobott energia. Általában egy-két molekula H2-t csinálnak piruvátonként. Különféle, az anyagcsere útvonalakat befolyásoló csalafintaságokkal azért rá lehet őket venni ennek a duplájára is, ami már sokkal ígéretesebb, és nem teszi tönkre a sejtek életben maradását. Például a fermentatív anyagcserére képes sejtek túlélési fegyvertárában szerepel az ún. oxidatív pentóz foszfát anyagcsereútvonal, amit csak akkor használnak, ha a szükség úgy kívánja. Ez az anyagcsereútvonal nem túlzottan megterhelő a sejt számára, mégis könnyűszerrel tud kétszeres mennyiségű hidrogént termelni. Mivel a fermentatív H2-termelés léptéknöveléséhez szükséges berendezések rendelkezésre állnak, és a folyamatot alapvetően ismerjük és kézben tudjuk tartani, bevezetéséhez elsősorban politikai és befektetői hajlandóságra van szükség.
Összegezve azt mondhatjuk, hogy az élő szervezetek nagyon sok és különböző úton termelhetnek jelentős mennyiségű hidrogént. Ezek közül több önmagában vagy kombinálva a mai tudásunk alapján is képes gazdaságosan megújuló H2-termelésre. A soron következő feladatok egyik része a további lehetőségek feltárása, másik része a megismert folyamatok technológiává érlelése és hasznosítása - belátható időn belül.
H2-tárolás
Amint korábban röviden tárgyaltuk, a H2 biztonságos tárolása a hidrogéngazdaság előtt álló egyik legfontosabb megoldandó feladat. A kitűzött, gazdaságosnak tartott cél 6 térf% tárolási gravimetrikus sűrűség, ahol a gravimetrikus térf%-ot úgy definiálják, mint a tárolt H2 és a rendszer önsúlyának hányadosa, 1 térf% = 186 Wóra/kg. Az ismert technológiák még messze vannak ettől a céltól, aminek egyik oka technológiai, másik pedig az, hogy a H2-tárolással a mai körülmények között még nincs sok gond, hiszen a H2 túlnyomó többségét a felhasználás helyén, földgázból állítják elő. Az ismert H2-tárolási technológiák: i.) összenyomott gáz, ii.) cseppfolyósított forma, iii.) fémhidridekben elnyeletett, iiii.) nanoszerkezetekben adszorbeált, iv.) kémiai kötésben rögzített formákban tárolják a H2-t. A H2 az egyik legkönnyebb gáz, tehát a térfogategységre vonatkoztatott energiatartalma kicsi. A ma működő H2-tárolóedények általában 50 bar nyomáson tartják a hidrogént, ennél nagyobb nyomással már csak gazdaságtalanul tudják összenyomni a H2 gázt. A hagyományos H2-palackok acélból készülnek, ami sok helyet foglal és nehéz. A megoldást alumíniumból készített és szénszálakkal erősített edények jelenthetik, amelyek ma már igen nagy nyomást tudnak biztosítani, és így akár 12 kg H2-t is tárolhatnak tároló m3 térfogatonként, ami 2 térf% gravimetrikus sűrűségnek felel meg. Kísérleti rendszerekben már 10 térf% gravimetrikus sűrűséget is elértek speciális szénerősítésű tartályokban, de ezek ipari léptékű gyártása és üzemeltetése ma még rendkívül költséges lenne.
A H2 cseppfolyósítására jól működő technológiákat fejlesztett ki a rakétaipar. A cseppfolyósított H2 eléri a 7,1 térf% sűrűséget, ez nagyjából háromszorosa a benzin tömegegységre vetített energiatartalmának. Sajnos, ahhoz, hogy a H2-t folyékony halmazállapotban tartsuk, le kell hűteni 20 K hőmérsékletre, ez pedig sok energiát igényel: a cseppfolyós hidrogéntárolás energiaigénye a tárolt H2 energiatartalmának 25-30 %-át emészti fel. Ennek ellenére jól működő folyékony H2-tárolási technológiákat fejlesztett ki elsősorban a NASA az űrprogram számára, és az egyik legnagyobb térfogatú, 3800 m3 folyékony H2-tárolótartályt is ők üzemeltetik. A hidrogénnel hajtott gépkocsik egyik prototípusát kifejlesztő BMW ezeket a tapasztalatokat hasznosította, amikor folyékony formában helyezte el a H2-t például a Hannoveri Expón rutinszerűen közlekedő 250 autójában.
A jövő H2-tárolási technológiáit olyan anyagokban keresik, a melyek a H2-t szelektíven tudják megkötni. Ilyenek például bizonyos fémötvözetekben kialakuló fémhidridek, ahol speciális fémötvözetek a fém kristályrács "lyukaiba" kötik be a H2-molekulákat. Így szilárd halmazállapotú tároló közeget használunk, a H2 viszonylag alacsony hőmérsékleten és nyomáson szabályozottan felszabadítható a tároló fémötvözetből, ami újra "tölthető" hidrid formában tárolt H2-vel. A fémhidridek alkalmazása elsősorban a biztonságos tárolási módszer miatt ígéretes, hátrányt jelent azonban a jelentős súlyú fémötvözet, főleg a szállítóeszközökben. Remélhetően a jövő anyagtudományi kutatásai elvezetnek olyan ötvözetek kifejlesztéséhez, amelyek ezt a tárolási módszert gazdaságossá teszik. Kísérleti rendszerekben, például a Mercedes cég gépkocsijaiban is sikerrel próbálták már ki a fémhidrides megoldást.
Elvileg eltérő megoldást kínálnak azok a módszerek, amelyekben a hidrogén kémiai reakcióba lép fémekkel, és így tárolódik. Ilyen hibridek például a LiH, LiBH4, NaBH4, amelyekből víz jelenlétében hidrolízissel szabadul fel a H2. A hidrolízis viharos gyorsasággal zajlik le, feladatként a reakció lassítása és kézben tarthatósága jelentkezik. Probléma továbbá, hogy ezek a tárolóanyagok nem használhatók fel újra. Egy NaBH4 vegyületen alapuló eljárás (13. egyenlet) már piaci forgalomban van, a reakció melléktermékei környezeti ártalmat nem jelentenek. További fejlesztési feladatként a kémiai reakció irányíthatóságát kell elsősorban megoldani.
NaBH4 + 2 H2O => 4 H2 + NaBO3 13. egyenlet
Az utóbbi években felbukkant új ígéretes anyag, amelynek a H2-tárolásban is nagy jövőt jósolnak, a szén egy különleges szerveződési formája, a szén nanostruktúrák. Speciális kezelés hatására (például nagy vákuumban magas hőmérsékleten elektródra gőzölt szénhidrogénekből) az amorf szén jellegzetes csövecskéket vagy lapocskákat képez. A szén nanocsövek 5-100 nm átmérőjűek és mm hosszúságúak lehetnek. Az előállítás módjától függően a csövek fala vagy egyetlen rétegből, vagy több molekularétegből épül fel. Az egyetlen molekularétegből álló nanocsöveket idő- és energiaigényes lézerpárologtatási technikával lehet viszonylag reprodukálhatóan előállítani. Ilyen nanocsövekben a rendezett szénatomok rétegei közé kötődik be a H2, mégpedig igen jó hatásfokkal: elméleti számítások szerint akár 50 térf% (9300 Wóra/kg) gravimetrikus sűrűséget is el lehet érni szobahőmérsékleten, bár magas nyomáson. Egyelőre úgy néz ki, hogy a nanocsövek gyártási technológiájának kiforratlansága, a reprodukálhatóság a legnagyobb akadály a tárolási módszer széleskörű elterjedése előtt, ami nem elvi, hanem módszertani probléma, tehát várhatóan belátható időn belül megoldás születhet.
Végül érdemes megemlíteni, hogy viszonylag egyszerű és kézenfekvő megoldást kínál a H2 tárolására, ha azt ammóniává (NH3) alakítjuk át. Az ammónia szállítására és tárolására ismert és kipróbált eljárások vannak forgalomban, és a H2-t úgy nyerhetjük ki az NH3-ból, hogy melléktermékként csak ártalmatlan N2 szabadul fel. A reakciót katalizátorok alkalmazásával, illetve a hőmérséklet emelésével szabályozhatjuk. A biztonságos alkalmazási eljárás kidolgozásának itt sincs elvi akadálya. A cseppfolyós ammónia tárolásához a benzinnél vastagabb falú és nagyobb térfogatú tartályra van szükség, a hidrogénnél és földgáznál azonban kedvezőbbek az ammóniatárolás feltételei, mivel az NH3 viszonylag alacsony nyomáson cseppfolyósodik. Az NH3 formában tárolt energia akár közvetlenül is elégethető, ha kellő körültekintéssel járunk el a környezetszennyező és globális felmelegedést elősegítő NOx-kibocsátás kézben tartása érdekében.
H2-szállítás és felhasználás
A globális hasznosításhoz elengedhetetlen, hogy az energiahordozót kiterjedt szállítórendszerek segítségével juttassuk el a végfelhasználóhoz. Könnyen belátható, hogy például a palackokban tárolt H2-t csak rengeteg szállítóeszköz és rengeteg energia felhasználásával lehetne a már amúgy is túlzsúfolt utakon szállítani, tehát ez a tárolási módszer a szállítási követelményeknek nem felel meg. Folyékony H2 hajóval való szállítását már a gyakorlatban demonstrálták. Ennek kétségtelen előnye, hogy egy esetleges baleset következményeként a H2 gyorsan elillan, és nem okoz olyan környezetszennyezési katasztrófákat, mint manapság a nagy olajszállító tankhajók balesetei. A mai technikákon alapuló egyik legvalószínűbb szállítási mód csővezetékeken keresztül képzelhető el. A földgáz szállításához hasonló csővezetékek használhatók erre a célra, és a legtöbb már megépített földgázvezeték, amelyek 1-3 Mpa nyomás alatt 300-9000 kg/óra szállítókapacitással rendelkeznek, kis átalakítással alkalmassá tehetők H2 szállítására.
Fontos megemlíteni, hogy a H2-gazdaságban az energiahordozó többségét a felhasználás helyén lehet majd generálni, így nagyobb szállítási feladatként a központosított energiatermelő telepek és a felhasználók közötti kapcsolatot kell megteremteni.
H2 a globális és helyi politikában
A politikai döntéshozók közül egyre többen ismerik fel, hogy az energiapolitika sokkal többet jelent az egyes országok biztonságában, mint a szükséges energia biztosítása a megfelelő helyen és időben. A globális környezeti változások és hatásuk a gazdaság legkülönbözőbb területeire, valamint az emberi egészségre olyan társadalmi nyomást jelentenek, ami alól nehezen tudnak a kormányok látszatintézkedésekkel kibújni. A legtöbb fejlett ipari ország gazdagságát alapvetően az energiabőségre alapozta és alapozza. Azonban az 1970-es években megtapasztalt első globális olajválságok, és az a felismerés, hogy a készletek egyrészt hamarosan kimerülnek, másrészt a meglevő maradék is javarészt politikailag instabil területeken található, a politikusokat egyre inkább arra készteti, hogy átgondolják az energiahelyzet széleskörű hatásait. Ez vezet el ahhoz a felismeréshez, hogy a fosszilis energiahordozókról a megújulókra való áttérés komoly gazdasági előnyökkel jár közép- és hosszú távon az ország számára. A környezeti és gazdasági megfontolások együttesen az új, megújuló és tiszta energiát használó technológiák felé terelik a felelősséggel gondolkodó döntéshozók figyelmét. A hidrogén alapú gazdaság koncepciója és a megújuló forrásokból előállított biohidrogén hasznosítása kiválóan illik bele ebbe a jövőképbe.
Hazánk különösen kedvező helyzetben van a megújuló biohidrogénnel kapcsolatos csúcstechnológiák fejlesztése terén, mivel:
* nagy területeken (melyek az EU csatlakozás által előírt mezőgazdasági szerkezetváltás révén csak növekedni fognak) termeszthetők gazdaságosan sok biomasszát szolgáltató energianövények (például: csicsóka, édescirok, kenderfélék). Emellett az élelmiszerfeldolgozó ipar jelentős mennyiségű szerves hulladékot produkál, amelynek a környezetet nem veszélyeztető, biztonságos elhelyezése csak részben megoldott, energiatermelésre való hasznosítása pedig elvétve valósul meg;
* itt koncentráltan van jelen a szükséges, felkészült, és a megfelelő tapasztalatokkal rendelkező szakembercsapat;
* a hazai K+F munka szoros kapcsolatban áll a nemzetközi fejlesztésekkel, tudományos eredményeit illetően a nemzetközi élvonalhoz tartozik;
* fosszilis energiahordozókban szűkölködő ország lévén Magyarországon nincs olyan erős "fosszilis energia-lobbi", amely sok fejlett országban az alternatív energiahordozók fejlesztését eredményesen gátolja (egy pozitív ellenpélda Norvégia, ahol a jelentős saját fosszilis készletek ellenére komoly erőket fordítanak az alternatív és megújuló energiaforrások kutatására).
Biztonságos?
A közvéleményben gyakran fellelhető tévhit a hidrogén veszélyességét a robbanékonyságban véli felfedezni. Valójában azonban a hidrogén semmivel sem veszélyesebb, mint bármely más energiahordozó. Tulajdonságai eltérnek a ma használatos energiahordozókétól, de megfelelő körültekintéssel használva biztonságosabb, mint a mindennapi életben használt üzemanyagok. A hidrogén sokkal könnyebben illan el, mint a benzin vagy akár a földgáz, ezért a tárolótartály vagy szállítóvezeték sérülésekor pillanatokon belül a robbanási koncentrációhatár alá hígul. További előnye, amit elsősorban a közlekedési eszközökben lehet hasznosítani, hogy égésekor kevés sugárzó hő keletkezik, emiatt csak a lángok közvetlen közelében alakul ki az emberi életeket veszélyeztető szintű forróság. Meggyőző kísérletek bizonyították ezeknek a tulajdonságoknak az előnyeit, amikor ugyanolyan körülmények között szimuláltak üzemanyagtartály-sérülés okozta autótüzet úgy, hogy egyik esetben benzin, másik esetben hidrogén volt a gépkocsi tankjában. Mindkét gépkocsi egyszerre gyulladt ki, és a benzines autó annak rendje-módja szerint kiégett: a gépkocsi belseje és a kárpit még a festéket is kívül-belül leégette a kocsiról, az ablaküvegek is megolvadtak, mire elaludt a tűz. A hidrogénes autó nagyot pukkant, de körülötte gyorsan, száz másodperc alatt kialudtak a lángok, és a gépkocsi utasterében a hőmérséklet nem haladta meg a 67 °C-ot. A hidrogénes autó utasai nyilvánvalóan túlélték volna ezt a balesetet, amelyhez hasonló körülmények között a benzines autók utasai szénné égnek a világ autóútjain.
Gazdaságos?
Igaz, hogy a hidrogén a legelterjedtebb elem a Földön. Az is igaz azonban, hogy a természetben csak nyomnyi mennyiségben fordul elő az energetikailag hasznosítható H2 formában, így a H2-t primer energiaforrások felhasználásával kell előállítanunk. Ez egyben azt jelenti, hogy a H2 előállítási költsége magasabb, mint a primer energiaforrás költsége. A ma használatos energiahordozók is tartalmaznak kitermelési, szállítási és elosztási költségeket, de ezek még bőven alatta vannak a mai H2-termelési költségeknek.
Az energiaárak megfelelő összehasonlításához a nehezen meghatározható környezetvédelmi és társadalmi értéket is hozzá kell adni a közvetlen termelési költségekhez. Ez azt jelenti, hogy ha a valós állapotot akarjuk összevetni, a hagyományos energiahordozók okozta szennyeződéseket és környezeti károkat is figyelembe kell venni a H2 és a többi energiahordozó hasonlatában. Ezek azonban nehezen definiálhatók pontosan, ami a számításokból nem zárja ki automatikusan a szubjektív elemeket.
Az új energiahordozó elterjedését kezdetben mindenképpen közpénzekből kell támogatni. Ennek indoklását az alábbi, valós történet adja meg, könnyen belátható módon. Az USA-törvényhozás egyik bizottsága az ország hosszú távú fejlesztési stratégiájának kidolgozásán fáradozott, tudósok közreműködésével. Ebben egyrészt érdekes az, hogy ott ilyesmivel is foglalkoznak a törvényhozók, hiszen hol van például az a magyar honatya vagy parlamenti bizottság, ahol húsz-harmincéves fejlesztési stratégiákra "pocsékolják" a drága időt? Másrészt figyelemreméltó, hogy ott a döntéshozók a véleményüket úgy formálják, hogy közben szakembereket, tudósokat is meghallgatnak, ami nálunk szintén szokatlan jelenség lenne. A bizottság meghallgatta többek között a hidrogén alapú gazdaság egyik neves kutatóját és hirdetőjét, aki lelkesen ecsetelte a várható előnyöket, de azt sem hallgatta el, hogy az új energiahordozó központi támogatásra szorul. Az egyik szenátor erre megjegyezte, hogy Amerika a szabad piac hazája, és ha a hidrogén olyan kiváló, mint állítják, akkor ki kell vinni a piacra, és magától győzedelmeskedni fog. A tudós válasza: Szenátor úr, az Egyesült Államokban valóban szabad a piac, de távolról sem tisztességes. Ha Önök ma hoznak egy törvényt, amelyikkel minden termék árába beépítik az általa okozott környezeti károkat, holnap már senki sem fog olajat venni, csak hidrogént!
A szegedi laboratóriumunkban végzett munkát az évek során számos OMFB, OM KFHÁT, OTKA, NKFP, FKFP, PHARE és EU 5th FP pályázattal elnyert támogatás segítette illetve segíti, amiért köszönetet mondunk. Köszönöm lelkes munkatársaimnak azt, hogy együtt dolgozhatunk, különösen dr. Rákhely Gábornak. Ezt az összefoglalót Ferenczy Lajos akadémikus biztatására kezdtem el írni, tudományos iskolateremtő emléke előtt szeretnék vele tisztelegni.
Kulcsszavak: hidrogén, megújuló energia, fenntartható fejlődés, biotechnológia, biohidrogén, energiagazdálkodás, globális felmelegedés, üvegházhatás
Energiahordozó MJ/kg MJ/liter kg C / kg üzemanyag Hidrogén (gáz) 120 2 0 Hidrogén (folyékony) 120 8,5 0 Szén (antracit) 15-19 - 0,5 Szén (gyenge minőségű) 27-30 - 0,7 Földgáz 33-50 9 0,5 Benzin 40-43 31,5 0,9 Olaj 42-45 38 0,8 Diesel olaj 43 35 0,9 Biodiesel 37 33 0,5 Etanol 21 23 0,5 Faszén 30 - 0,5 Mezőgazdasági hulladék 10-17 - 0,5 Fa és faipari hulladék 15 - 0,5
1. táblázat
1. ábra * A napenergiából biohidrogént előállító rendszerek elvi felépítése fotoszintetikus vízbontáson keresztül vagy biomasszából.
2. ábra * A Thiocapsa roseopersicina hidrogénanyagcseréjében részt vevő enzimek elhelyezkedése és alegységszerkezete. Fekete szín jelzi a hidrogenáz alapvetően fontos két alegységét, világosabb árnyalat mutatja a többi struktúrgén terméket.
3. ábra * Hidrogéntermelés mutáns sejtekben. A DHupK és DHynDHup esetekben a membránkötött hidrogenázok működésképtelenek, a DHypF törzsben az összes NiFe-hidrogenáz gátolt.
4. ábra * A DHupK mutáns törzsben a hidrogént a szolubilis hidrogenáz termeli. (Részletes magyarázat a szövegben.)